一、信號(hào)檢測(cè)與采樣方法
電磁流量傳感器的小流量信號(hào)非常微弱,尤其在需要電池供電而受到功耗限制的情況下,往往低至幾μV甚至1μV以下。為了將流量信號(hào)從環(huán)境噪音與測(cè)量電極的極化電勢(shì)中分離出來,必須要采用有效的信號(hào)檢測(cè)電路與數(shù)據(jù)采樣方法。因此,本文采用并聯(lián)同相差動(dòng)放大電路,并結(jié)合具有低偏置電壓、低零漂的高性能OP放大器組成放大電路，以獲得具有高輸入阻抗、高穩(wěn)定性的前置放大電路,如圖1所示。后面連接的基本差動(dòng)放大電路用來提高共模抑制比,其放大倍數(shù)為.
式中:Auf差動(dòng)電路放大倍數(shù);RF1、RF2一前置放大級(jí)OP放大器A1、A2的負(fù)反饋電阻;R01一前級(jí)輸出電阻。
由于測(cè)量電極在被測(cè)流體中發(fā)生原電池反應(yīng),電極上獲得的信號(hào)不僅包含與流量相關(guān)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),還有直流極化電勢(shì)、磁通變化引起的交流噪聲等,以及通過各種耦合途徑引入環(huán)境因素帶來的高頻噪音。因此,在電極與放大器之間增加了低通濾波器,以減小環(huán)境噪聲的影響。此外，本文采用的單極性O(shè)P放大器,為了防止負(fù)半周期的信號(hào)丟棄,在濾波器與放大器之間增加偏置電路,將“浮動(dòng)"的電極信號(hào)拉高進(jìn)行放大。兩個(gè)放大電路具有對(duì)稱性,且并聯(lián)連接,通過單片機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行切換。
通過單片機(jī)對(duì)AD轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的引腳進(jìn)行控制，獲得采用的采樣方式如圖2所示。在電極信號(hào)中,除了環(huán)境噪音外,還存在直流噪聲(極化電勢(shì))和交流噪聲(磁通變化)。其中,直流噪聲由電極與流體接觸面的電化學(xué)特性決定,不隨時(shí)間變化，可通過相鄰的正半周期與負(fù)半周期的采樣數(shù)據(jù)做差來抑制。交流噪聲由磁場(chǎng)變化引起,由于勵(lì)磁脈沖使矩磁材料磁路在極短的時(shí)間內(nèi)完成磁場(chǎng)的反轉(zhuǎn),磁通變化dp/dt很大,會(huì)在電極上產(chǎn)生附加電勢(shì),其值在下一個(gè)勵(lì)磁脈沖到來之前隨時(shí)間衰減。為了減小交流噪聲的影響,對(duì)電極信號(hào)的半周期進(jìn)行后端采樣。
二、數(shù)據(jù)處理方法與結(jié)果
通過電極獲取的流量信號(hào)仍然參雜著很多干擾信號(hào)以及電路自身的噪聲信號(hào)，經(jīng)過前述差分放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換后獲得的數(shù)字量中仍含有一.定的干擾。為了進(jìn)一步凈化信號(hào),抑制干擾，需采用一定的數(shù)字濾波等計(jì)算方法進(jìn)行處理,算法如圖3所示。
圖3所示的流程為測(cè)量系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的處理過程,因此未涉及勵(lì)磁、通信等功能模塊。系統(tǒng)對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,區(qū)分電極處于空氣、靜水或流水等三種不同狀態(tài),如圖4所示。
根據(jù)狀態(tài)的判斷結(jié)果，將靜水和空氣中的數(shù)據(jù)置0,并傳輸至液晶屏顯示。若是流水狀態(tài),則進(jìn)--步進(jìn)行流量大小的判定，判定的依據(jù)為采樣數(shù)據(jù)的大小。對(duì)于小流量數(shù)據(jù)進(jìn)行小流濾波對(duì)于大流數(shù)據(jù)進(jìn)行大流濾波。進(jìn)行不同流量濾波的原因是針對(duì)管路中的流動(dòng)噪聲進(jìn)行處理。小流量時(shí)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均濾波,而大流量時(shí)要進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除及加權(quán)平均濾波。
三、測(cè)試結(jié)果分析
經(jīng)過上述測(cè)量方法與數(shù)據(jù)處理后的DN20管徑試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)量結(jié)果如表1所示。從表中可以看出,在常用流量Q3(4000L/h)內(nèi),流量傳感器具有很好的流量特性,在R200范圍內(nèi)相對(duì)誤差≤2%,在R160范圍內(nèi)相對(duì)誤差≤1%。其流量誤差分布如圖5所示，在全流量范圍內(nèi),測(cè)量誤差全部在MPE(最大允許誤差)內(nèi)。
四、結(jié)論.
電磁流量傳感器具有明顯測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，但是信號(hào)弱、易受干擾也是必須解決的問題。本文根據(jù)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理與特點(diǎn),選用并聯(lián)同相輸入差動(dòng)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大,并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。根據(jù)流量信號(hào)的特點(diǎn)，先進(jìn)行空氣、小流量、大流量的狀態(tài)判斷。根據(jù)判斷結(jié)果，選擇與狀態(tài)相適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，以對(duì)不同流量狀態(tài)下的主要干擾因素進(jìn)行排除,獲得流量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了本方法的可行性,并為更深入的流量測(cè)量提供了可借鑒的方法。
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